[무기화학실험]제올라이트 합성과 물리적 특성 확인(Synthesizing zeolite and identification of physical characteristic of zeolite)

실험 목적

 

1. 제올라이트(Zeolite)는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 알루미늄 산화물, 규산 산화물의 결합으로 이루어진 물질이다.

2. 본 실험에서는 제올라이트를 합성해보고 제올라이트와 반응물들의 물리적 특성의 차이가 생길 것임을 이용해 제올라이트가 합성되었는지 확인해보고자 한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 제올라이트의 응용 분야

1) 제올라이트의 탄생

1756년 지질학자인 Axel Cronstedt에 의해 명명되었다. 이 때 합성된 제올라이트는 니켈 사용 제올라이트였고 제올라이트 이름의 유래는 끓을 수 있는 돌이라는 뜻을 지닌 단어로부터 왔다.

 

2) 제올라이트의 응용 분야

① 기체의 흡착

제올라이트의 중요한 특징 중 하나는 제올라이트 구조 안의 틈 사이로 빠져나가는 물질을 강하게 흡착 할 수 있다는 것이다. 이 특징을 이용해 서로 다른 두 기체를 제올라이트 사이로 투과시켜 얻고 싶은 기체를 얻을 수 있다. 위 특징의 사용 예로는 암모니아성 질소 흡착이 있다.

② 건조제

제올라이트는 가열하여 결정 사이의 물을 날려 보내도 결정의 구조가 부서지지 않고 온도가 낮아지면 공기 중 물을 흡수하는 경향이 있다. 따라서 건조시키려는 물질 주변의 물을 흡수해 빠르게 물질을 건조시킬 수 있다. 그리고 수분을 흡수하는 것이기 때문에 물질 주변의 다른 기체와는 반응하지 않아 더 안전하게 건조시킬 수 있다.

③ 이성질체 또는 다른 크기의 물질의 분리

앞에서 설명한 제올라이트의 특징으로 인해 합성된 물질들이 서로 다른 크기를 지니고 있다면 제올라이트의 틈의 크기를 조절함으로서 필요한 물질만을 거를 수 있다. 이로 인해 증류로 분리할 수 없는 이성질체의 분리에 유용하게 쓰일 수 있다. 이성질체 중 가장 작은 이성질체만을 분리해 얻고자 한다면 제올라이트의 구멍크기를 조절하면 분리할 수 있다.

④ 촉매로써의 사용

화학공정 중 접촉분해공정에서 산촉매가 필요한데, 제올라이트가 유용한 촉매로써 사용될 수 있다. 제올라이트는 산성도를 조절할 수 있고 투과되는 분자의 크기를 조절할 수 있기 때문이다.

⑤ 이온교환성 이용

제올라이트는 이온교환 성질을 가진다는 것을 실험을 통해서도 알게 되었다. 이 성질을 이용해 물을 더 부드럽게 만들 수 있다. 예를 들어 제올라이트 합성 실험에서 사용된 CoCl2 수용액을 제올라이트의 Na과 이온교환이 일어나 NaCl 수용액을 형성하므로 더 부드러운 물을 만들 수 있다. 부드러운 물을 만들 수 있기 때문에 제올라이트는 시판되는 세제에 첨가되어 세척 효율을 더 높일 수 있다.

⑥ 나노 반응이 일어날 수 있는 반응기

제올라이트의 구조는 입자 안에 구멍이 여러 개 나있다. 제올라이트 내의 초미세 세공들은 solvent cage(용매 바구니)의 크기와 유사하기 때문에 제올라이트는 분자 한두 개를 담는 반응용기, 나노크기의 초미세 반응용기가 되는 것이다.

 

실험 방법

1. 실험 과정

실험 A. 제올라이트 X 합성

1) Sodium silicate 6 g + 증류수 18 ㎖를 섞고 Aluminum isopropoxide 13.8g + NaOH 4.8 g + 증류수 18 ㎖를 75 ℃에서 섞은 후 각각을 하나의 PP bottle에 넣은 뒤 증류수 81 ㎖를 넣어 섞는다.

2) PP bottle을 120 ℃ 오븐에 1hr 두었다가 꺼내어 증류수를 넣어 중화시킨 뒤 감압 여과를 하여 제올라이트를 얻는다.

3) 얻은 제올라이트를 샬레에 옮겨 오븐에 1시간 건조시킨다.

 

실험 B. 제올라이트 X 합성 여부 확인 – 이온교환 이용

1) 건조된 제올라이트 1 g을 비중을 측정한 CoCl2 시약 0.3 g + 증류수 300 ㎖ 용액에 넣어 50 ℃에서 분홍색이 될 때까지 섞는다.

2) 섞은 용액을 감압 여과한 뒤 여과되어 나온 용액의 비중을 측정한다.

 

실험 C. 제올라이트 X 합성 여부 확인 – 물리적 특성의 차이 이용

1) 광학 현미경을 통해 Sodium silicate, Aluminum isopropoxide, zeolite의 구조를 확인한다.

2) Sodium silicate와 Aluminum isopropoxide 수용액의 점도, 밀도, 표면장력을 측정하고 합성된 제올라이트 수용액의 점도, 밀도, 표면장력을 측정하고 그 차이를 알아본다.

3) 이 때 동일한 몰 농도를 가진 수용액을 만들기 위해 A실험에서 재료 물질들이 1:1로 반응하여 전부 제올라이트를 합성했다고 생각하여 한계 시약과 제올라이트의 몰 수가 같을 것임을 이용해 합성된 제올라이트의 몰 수가 한계 시약의 몰 수와 같게 두었다. (수득률을 100 %라고 생각)

 

실험 결과 및 토의 

1. 실험 고찰

Fig.1은 실험 A에서 마지막 실험과정인 오븐에 건조 시키기 전 중화시킨 제올라이트 수용액을 감압 여과시킨 사진이다. 여과지의 색이 흰색이기 때문에 잘 보이지 않지만 합성된 제올라이트는 흰색이었다.

 

Fig.1 감압 여과된 제올라이트

Fig.2 CoCl2 수용액(이온교환 전)

Fig.3 이온교환 후 용액

 

Fig.2와 3은 실험 B에서 진행한 제올라이트-X의 합성여부 실험을 알아보기 위한 이온교환 전 후의 용액의 색 차이이다. CoCl2 수용액과 제올라이트를 넣은 직후인 Fig.2와 50 ℃에서 약 30~40 분간 섞은 Fig.3의 색이 다름을 알 수 있다. 먼저 이온교환이 일어나는 원리에 대해 알아보자면 다음과 같다. 제올라이트의 구조는 산화알루미늄과 산화규소 사면체를 이루고 이 때 서로 산소 분자를 공유하고 있다. 그리고 사면체 구조를 이루고 있으므로 알루미늄과 규소 주위에는 각각 4개의 산소 분자가 (-1)의 전하를 띄고 존재 한다(산소 분자를 공유하고 있으므로). 규소의 경우 (+4)를 띄고 있어 전하의 합이 0으로 중성이지만 알루미늄의 경우 (+3)을 띄고 있어 전하의 합이 (-1)을 띄게 된다. 따라서 Na-X인 제올라이트를 합성할 경우 Na+보다 더 큰 양이온을 띄고 있는 Co2+등이 근처에 오게 되면 이온 교환이 일어나게 되는 것이다.

 

그렇다면 이온교환 된 용액의 색이 변하게 되는 이유는 무엇일까. 이온교환 전 사용한 CoCl2 수용액에서 CoCl2는 anhydrous 시약을 사용하였다. CoCl2 anhydrous는 푸른색을 띄는 반면, CoCl2 hexahydrate는 붉은색을 띈다. 즉, CoCl2 근처에 물 분자가 감싸져 있으면 분홍색을 띈다는 뜻이다. Na-X 제올라이트가 Co2+와 이온교환이 일어나게 되면 Co-X 제올라이트로 변하게 된다. 이 때 제올라이트 주변은 물 분자가 감싸고 있기 때문에 Co가 anhydrous에서 hexahydrate로 변화하게 되므로 용액의 색이 분홍색을 띈다고 생각한다.

 

이온 교환 후 감압 여과시 밑으로 빠져나오는 용액은 CoCl2가 아니라 NaCl일 것이다. 따라서 용액의 비중이 이온 교환 전 후가 다를 것이라고 판단하여 두 용액의 비중을 쟀다. 계산되어 나온 두 용액의 밀도는 각각 CoCl2 : 0.9981 g/㎤, 여과된 용액 : 0.9942 g/㎤로 여과된 용액의 비중이 낮아진 것으로 보아 CoCl2가 NaCl로 충분히 이온 교환 되었음을 알 수 있다.

 

Fig.4는 실험 C에서 Sodium silicate, Aluminum isopropoxide와 zeolite 수용액의 표면 장력 그래프이다. 재료 물질과 합성된 물질은 물리적인 특성이 다를 것이기 때문에 실험 A에서 제올라이트가 제대로 합성됐음을 알 수 있다. 왜냐하면 sodium silicate의 표면장력은 약 70 dyn/㎝, zeolite는 약 62 dyn/㎝, aluminum isopropoxide는 49 dyn/㎝이기 때문이다.

 

Fig.4 재료물질들과 제올라이트 수용액의 표면장력

 

	Sodium silicate	Aluminum isopropoxide	Zeolite
무게 (g)	98.0826	97.2030	98.0192
상대 밀도	1.013	1.000	1.012

Table.1 재료물질들과 제올라이트 수용액의 상대 밀도

 

Table.1은 비중병을 사용하여 무게를 잰 증류수의 밀도를 1 g/㎤ 라고 두었을 때 계산한 물질들의 상대 밀도이다. 이 경우에도 위의 Fig.4와 마찬가지로 제올라이트와 재료물질들이 다른 값을 가지기 때문에 제올라이트가 합성되었다고 생각할 수 있다.

 

	Sodium silicate	Aluminum isopropoxide	Zeolite
시간 (s)	4.29	4.48	4.30
상대 점도	1.013	1.042	1.012

Table.2 재료물질들과 제올라이트 수용액의 상대 점도

 

Table.2에서 구한 상대 점도는 밀도가 1g/㎤인 물이 점도계를 통과하는 시간이 4.3초로 제올라이트와 동일할 때의 상대 점도를 구한 것이다. 상대 점도는 각 물질의 밀도와 시간의 곱에 비례하므로 계산할 수 있다.

 

Fig.5 제올라이트 입자

Fig.6 Sodium silicate 입자

 

Fig.5와 Fig.6은 제올라이트와 sodium silicate 입자를 광학 현미경으로 촬영한 사진이다. 그 전 실험 C에서 진행한 실험 중 sodium silicate와 제올라이트가 서로 비슷한 성질의 값을 가지는 것들이 있었다. 밀도와 점도의 경우가 그러했는데, 위의 광학 현미경 사진을 보고 합성된 물질이 제올라이트라는 것을 확신할 수 있었다. 입자의 구조 또는 모양이 완전히 다르다면 재료 물질일 때와 다른 물질이 합성되었다는 것을 뜻하기 때문이다.

 

2. 결론

본 실험에서는 무기 재료들을 이용해 무기 합성을 하여 제올라이트를 만들어보는 실험을 하였다. 제올라이트의 정확한 수득률을 알기 위해선 재료물질들의 당량 계수를 알아야하기 때문에 더 많은 실험이 필요하다고 생각한다. 그리고 합성된 제올라이트는 이온 교환 능력을 가짐을 알게 되었고 단순히 제올라이트와 재료 물질들의 물리적 특성 차이만으로 제올라이트의 합성이 되었다고 규명하기 보단 입자의 모양이 변했음을 보여주는 사진들이 추가로 필요하다.

참고 문헌

1. 박준우 외 3명(2017), Zeolite X의 양이온에 따른 암모니아 흡착 성능 연구, 공업화학, 28권 3호, p.355~8.

2. 제올라이트 배합세제의 세척특성, 생활과학연구, 강인숙(1997), p.81~9.